Cyfrowe układy sekwencyjne. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 2

Transkrypt

1 Cyfrowe układy sekwencyjne 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 2

2 Układy sekwencyjne Układy sekwencyjne to takie układy logiczne, których stan wyjść zależy nie tylko od aktualnego stanu wejść, lecz również od poprzednich stanów wejść i wyjść. Układy sekwencyjne pamiętają historię stanów systemu, czyli posiadają pamięć. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 3

3 Opis układów sekwencyjnych 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 4

4 Układy sekwencyjne Układ sekwencyjny składa się z logicznego układu kombinacyjnego i rejestru, który zapamiętuje stan systemu. Inputs Combinational Logic Unit Outputs Current State Register D Next State 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 5

5 Układy sekwencyjne Ze względu na sposób funkcjonowania rozróżniamy: asynchroniczne układy sekwencyjne, które reagują natychmiast na zmianę stanu wejściowego. Układy asynchroniczne nie mają wejścia zegarowego Inputs Combinational Logic Unit Outputs Current State Register D Next State 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 6

6 Układy sekwencyjne Asynchroniczny układ sekwencyjny Input Current Output Inputs Combinational Logic Unit Outputs Current State Register D Next State 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 7

7 Układy sekwencyjne Układy sekwencyjne mogą reagować w dwojaki sposób na sygnały wejściowe: Jeżeli układ reaguje na poziomy sygnałów wejściowych to taki układ określa się jako statyczny (wyzwalany poziomem). Jeżeli układ reaguje na zmiany poziomów sygnałów wejsciowych to taki układ nazywamy dynamicznym (wyzwalany zboczem). Inputs Combinational Logic Unit Outputs Current State Register D Next State 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 8

8 Cyfrowe układy sekwencyjne Przerzutniki 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 9

9 Przerzutniki Podstawowymi układami sekwencyjnymi są przerzutniki. Symbolem graficznym przerzutnika jest prostokąt posiadający wejścia informacyjne (np. S, R, J, K, D, T) i sterujące (CLK) oraz wyjścia stanowiące komplementarną parę ( i ). R S T D J K Istnieją cztery zasadnicze typy przerzutników: SR, JK, T, D Definicje przerzutników opisuje norma IEC grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 10

10 Rodzaje przerzutników Przerzutniki Asynchroniczne Synchroniczne Wyzwalane poziomem sygnału Wyzwalane zboczem sygnału Wyzwalane poz. wysokim Wyzwalane poz. niskim Wyzwalane zboczem dodatn. Wyzwalane zboczem ujemn. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 11

11 Rodzaje przerzutników Przerzutniki Asynchroniczne Zatrzaski (SR) Synchroniczne Wyzwalane Zatrzaski Bramkowane poziomem sygnału (SR, D) Wyzwalane Przerzutniki flip-flop(sr, zboczem sygnału D, JK, T) Wyzwalane poz. wysokim Wyzwalane poz. niskim Wyzwalane zboczem dodatn. Wyzwalane zboczem ujemn. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 12

12 Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem wysokim Sygnał wejściowy może zmieniać stan wyjścia tylko przy wysokim poziomie sygnału zegarowego (transparent mode). Przy niskim poziomie sygnału zegarowego stan wyjścia pozostaje bez zmian (hold mode) D Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem wysokim D 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 13

13 Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem niskim Sygnał wejściowy może zmieniać stan wyjścia tylko przy niskim poziomie sygnału zegarowego (transparent mode). Przy wysokim poziomie sygnału zegarowego stan wyjścia pozostaje bez zmian (hold mode) D Przerzutnik synchroniczny wyzwalany poziomem niskim D Output 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 14

14 Przerzutnik synchroniczny wyzwalany zboczem dodatnim sygnału zegarowego Sygnał wejściowy może zmieniać stan wyjścia tylko przy przejściu sygnału zegarowego ze stanu 0 do 1. D Master D Slave D Przerzutnik synchroniczny wyzwalany zboczem dodatnim D Output 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 15

15 Przerzutnik synchroniczny wyzwalany zboczem ujemnym sygnału zegarowego Sygnał wejściowy może zmieniać stan wyjścia tylko przy przejściu sygnału zegarowego ze stanu 1 do 0. D Master D Slave D Przerzutnik synchroniczny wyzwalany zboczem ujemnym D Output 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 16

16 Zatrzask SR 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 17

17 Zatrzask SR R S n 0 0 n Not 1 used 0 0 Zatrzask SR ma dwa wejścia: S (set-ustawianie), R (reset- zerowanie). Gdy wejście S = 0 i R = 1 wówczas na wyjściu jest stan 0 Gdy wejście S = 1 i R = 0 wówczas na wyjściu jest stan 1 Gdy wejście S = 0 i R = 0 wówczas na wyjściu utrzymany jest stan poprzedni Stany logiczne S = 1 i R = 1 są zabronione ze względu na sprzeczność w opisie wyjść 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 18

18 Zatrzask SR R S n 0 0 n Not 1 used 0 0 R Zatrzask SR S Not used Stan wysoki wyjścia jest utrzymywany do zresetowania przerzutnika 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 19

19 Zatrzask SR R S n S 0 0 n Not 1 used 0 0 R n Przerzutnik SR ma dwa wejścia: S (set-ustawianie), R (reset- zerowanie). Gdy wejście S = 0 i R = 1 wówczas na wyjściu jest stan 0 Gdy wejście S = 1 i R = 0 wówczas na wyjściu jest stan 1 Gdy wejście S = 0 i R = 0 wówczas na wyjściu utrzymany jest stan poprzedni 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 20

20 Zatrzask SR bramkowany S S R R n Dla synchronizacji przełączania przerzutnika stosuje się dodatkowe wejście synchronizujące (). Jeżeli sygnał zegarowy jest w stanie 0 to bez względu na stan wejść R i S oba wejścia przerzutnika S i R są w stanie 1, czyli wyjścia i n nie zmieniają stanu. Jeżeli sygnał zegarowy jest w stanie 1 to stany wejść R i S są na wejściach przerzutnika S i R zaprzeczone - przerzutnik może zmieniać stany wyjść i n Stan R = S = 1 jest zabroniony. 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 21

21 Zatrzask SR bramkowany CLK R S n S 0 x x n n R n Przerzutnik SR R S Not used 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 22

22 Przerzutnik D 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 23

23 Zatrzask bramkowany D Aby wyeliminować stan zabroniony (R=1, S=1) synchronicznego przerzutnika SR można na wejście wprowadzić dodatkowy inwerter zapewniający warunek R = S. Taki przerzutnik ma jedno wejście i nazywany jest synchronicznym przerzutnikiem typu D lub zatrzaskiem D bramkowanym. D n CLK D n 0 x n grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 24

24 Zatrzask bramkowany D Górna bramka NAND daje na wyjściu zanegowany sygnał D. Wobec tego schemat układu przerzutnika D można uprościć zastępując inwerter połączeniem wyjścia tej bramki z jednym z wejść bramki dolnej. D D D n n 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 25

25 Przerzutnik D wyzwalany zboczem impulsu Przerzutnik D wyzwalany zboczem można zrealizować łącząc szeregowo dwa przerzutniki D typu zatrzask sterowane dopełniającymi się sygnałami zegarowymi. Gdy sygnał zegarowy jest w stanie 1 stan wejścia D jest przenoszony na wyjście przerzutnika Master, a przy przejściu zegara ze stanu 1 na 0 sygnał jest przeniesiony na wyjście. Przerzutnik jest wyzwalany zboczem opadającym. D Master Slave n 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 26

26 D Przerzutnik D wyzwalany zboczem impulsu Master Slave n Przerzutnik D D M 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 27

27 Przerzutnik D wyzwalany zboczem impulsu Aby przerzutnik był wyzwalany zboczem narastającym należy odwrócić fazę zegara. D n 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 28

28 The D Flip-flop (Edge Trigged Latch) not Data et Data et D flip-flop not 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 29

29 The D Flip-flop (Edge Trigged Latch) not Data et Data et D flip-flop not 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 30

30 Liczniki 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 31

31 Licznik asynchroniczny z przerzutników D CLK D 1 Asynchroniczny licznik dwójkowy można zrealizować tworząc szeregowy łańcuch przerzutników D, przy czym każdy ma wyjście n połączone z wejściem D oraz wyjście jednego jest połączone z wejściem CLK następnego. 0 Licznik asynchroniczny R D 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 32

32 Licznik asynchroniczny X3 X2 X1 X0 CLK D D D D Przerzutnik D przełącza się przy opadającym zboczu sygnału na wejściu zegarowym X0 X1 X2 X3 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz

33 Licznik asynchroniczny liczący w przód X3 X2 X1 X0 CLK D D D D X0 X1 X2 X grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 34

34 Licznik asynchroniczny liczący wstecz X3 X2 X1 X0 CLK D D D D Aby licznik złożony z przerzutników D zliczał wstecz wystarczy podłączyć wyjścia do zanegowanych wyjść przerzutników X0 X1 X2 X grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 35

35 Licznik asynchroniczny modulo n X3 X2 X1 X0 CLK D D D D D Licznik złożony z n przerzutników liczy od 0 do 2 n 1. Aby uzyskać inny zakres licznika należy zastosować sprzężenie zwrotne, resetujące licznik po wymaganej ilości stanów. Np. można zbudować licznik dziesiętny. X X1 X2 X3 5 grudnia 2013 Wojciech Kucewicz 36